刘锟华
【摘 要】基于程控衰减器[1]广泛用于信号接收机和信号发生器,利用HMC470LP3[2]数字衰减器设计了一款程控衰减器.并列举了该设计过程中碰到的信号损耗过大、低频信号衰减精度差、阻抗不匹配、信号泄露大等问题,以及解决办法.最后通过测试结果验证了基于HMC470LP3的程控衰减器有较好通道损耗、通道频响、信号泄露指标,达到了预期的目标. 【期刊名称】《安徽电子信息职业技术学院学报》
【年(卷),期】2013(012)002
【总页数】4页(P4-6,36)
【关键词】程控衰减器;HMC470LP3;微带线[3];信号泄露
【作 者】刘锟华
【作者单位】中国电子科技集团公司第41研究所,安徽蚌埠233006
【正文语种】中 文
【中图分类】TN715
衰减器是一种常用的电子测量设备，它通常插在信号源与负载之间，用于调节信号的大小，防止负载电路过载，工作频率可达到超高频，因此通常在雷达、通信、遥测等领域及各种仪器和仪表、家用电器中得到广泛应用。随着现代通信技术的发展，通信装备的数字化、智能化设计已是不可阻挡的潮流，因此对部件设计也要求数字化、智能化设计。程控衰减器属数控衰减器的范畴。随着科技的进步，通信产品也随之不断的向小型化、低功耗、高可靠性等方向发展，而单片微波集成电路（MMIC）具有小型紧凑、稳定性好、抗干扰能力强、产品性能一致性好和批量生产成本低等优势，因而在通信市场中占据越来越重要的地位。作为系统的重要组成部分，MMIC衰减器在宽带通信、微波无线电通信、雷达以及空间通信等电子设备中有着广泛的应用。本论文主要介绍了采用HMC470LP3数控衰减器，实现120dB功率动态范围的数控衰减。
一、HMC470LP3简介
（一）基本特性
（1）1dB LSB步进到31dB
（2）插入损耗优于1.5 dB
（3）频率覆盖范围DC～3GHz
（4）每位独立控制
（5）兼容TTL/COMS控制
（6）典型值为±0.3dB的阶跃误差
（7）单电源+5V电压
（8）16脚3mm×3mm SMT封装
（二）内部结构
图1 HMC470LP3逻辑图Fig.1 HMC470LP3 Functional Diagram
HITTITE公司的HMC470LP3是一个宽带5位GaAs IC数字衰减器，采用低成本的无铅SMT封装。该数字衰减器与片外的交流电容组合，可以工作到接近直流。使其可以广泛用于各种RF和IF应用中。该衰减器的控制位分别对应1dB、2dB、4dB、8dB、16dB衰减值，最多可衰减31dB。 图2 程控衰减器设计Fig.2 Design of Programmable Attenuator
二、电路设计
图2是一种120dB衰减器设计的原理图，通过将器件的V2、V4脚短接实现10dB衰减控制；将器件的V1、V3脚短接实现20dB衰减控制；将器件的V1、V2、V3、V4脚短接实现 30dB 衰减控制；同时为了降低通道损耗，将器件的V5脚直接接到电源控制脚。这样通过 10dB、20dB、30dB、30dB、30dB 这五档衰减器，可实现步进10dB的0～120dB衰减值。虽然该衰减器原理设计比较简单，但在PCB设计、屏蔽盒设计和控制线设计过程中需要注意几个问题。 （一）微带线阻抗设计
在射频电路的PCB设计中，需要考虑印制板材料、印制板的厚度、印制板的介电常数、微带线的宽度等因素。因为这些决定了微带传输线的阻抗，进而影响组件的驻波比。
图3 MicrostripFig.3 Design of Programmable Attenuator
我们假定已成形的微带线导体的厚度t与基片厚度h相比可以忽略不计。在这种情况下，当w/h＜1时，得到的特性阻抗：
其中是在自由空间的波阻抗，εeff是由下式给出的有效介电常数：
当w/h＞1时，特性阻抗表达公式：
和
假定线路导体无限薄，对于w/h＜2，可以根据给定的特性阻抗Z0和基片的介电常数εr计算出w/h比值，公式如下：
其中系数A为：
对于w/h＞2，计算出w/h比值，公式如下：
其中系数B为：
考虑到通道设计时功率损耗要小，印制板的介电常数稳定等因素，该衰减器PCB设计选择Rogers公司的4350板材。该板材介电常数εr为3.48，基片厚度h为0.508mm。通过ADS2008软件仿真和上述公式估算，特性阻抗Z0为50Ω时，要求印制板微带线宽度w设计为1.02mm。
（二）通道电容和交流接地电容的选择
由于HMC470LP3数字衰减器的射频信号脚上带有直流电压，如果直接与信号接收机或信号发生器仪器相连，会造成仪器损坏，因此通道上必须用电容隔直。但通道上增加电容则会影响低频信号的阻抗[4]，进而影响低频信号的功率，而对高频信号影响则可忽略不计。该设计中对数字衰减器的频率要求工作到250kHz，电容低频容抗计算公式：
选择C=0.47μF时，对250kHz频率信号的容抗约为1.35Ω。
交流电容接地主要用于数字衰减器工作在衰减状态。当电容较小时，低频信号对地容抗就很大，这时低频信号的衰减量就变得很小，影响了数控衰减器的精确度。一般情况，通道
电容与交流接地电容保持一致。
（三）屏蔽盒设计[5]和电源及控制线设计
程控衰减器设计过程中，特别要注意信号的泄露，因为这关系到衰减器工作动态范围。譬如设计120dB衰减器，在不考虑损耗前提下，数控衰减器工作在120dB衰减状态，如果输入射频信号功率为0dBm时，输出功率只能到-100dBm，这就是由于信号泄露造成功率无法降到需要的状态。信号泄露主要是通过空间辐射和信号传导两种途径。
降低空间辐射干扰主要是通过屏蔽盒的设计来实现。在该程控衰减器结构设计中考虑了几种方法来降低空间辐射信号对输出端的影响：
（1）将4片HMC470LP3分别装入4个屏蔽腔中，各腔之间只留有通道电容位置；
（2）在屏蔽盒装盖板时，一定要用橡胶导电布或导电胶将盖板与屏蔽盒之间的缝隙填上。
图4 屏蔽盒设计Fig.4 Design of shielding box
降低信号传导干扰主要是让印制板与屏蔽盒良好接地、减小射频输入信号通过电源和控制
线对射频输出信号的影响来实现。在该程控衰减器设计中考虑了几种方法来降低信号传导对输出端的影响：
（1）印制板设计时，与屏蔽盒接触的一面全部裸露铜皮，并镀金，使得印制板与屏蔽盒接地良好；
（2）微带线附近增加足够的过孔，使得顶层与底层金属地接触良好；
（3）4片HMC470LP3采用独立供电，即外部电源通过穿心电容分别给4片HMC470LP3供电，控制线也采用通过穿心电容控制数字衰减器的衰减量
三、实际电路设计效果
该程控衰减器的测试结果为：在250kHz～3GHz频率范围内通道损耗优于7dB,通道频响优于3dB，衰减器控制误差±1.2dB，泄露信号功率优于-117dBm。
四、结论
本设计主要采用QFN封装的HMC470LP3数字衰减器，具有电路简单，可靠性高，成本低
等优点。本设计已经在某款综测仪中得到使用，性能指标完全满足设计要求，并已成功与被测设备实现互联互通。采用该设计办法可以设计出其它衰减器，用于不同场合。在信号发生器中，该衰减器可与压控衰减器一起配合，既能满足发生信号功率精度指标，又能满足发生信号功率动态范围指标。而用于接收机前端[6]，又可以提高接收机测试大功率信号的能力。
［参考文献］
[1]孟宪虎,钱光弟.智能数控衰减器的设计[J].实验科学与技术,2006,（3）.
[2]HMC470LP3 Data Sheet[EB/OL].Hittite Micro Wave Corporation.
[3]Reinhold Ludwig,Pavel Bretchko.RF Circuit Design:Theory and Applications[M].电子工业出版社,2005.
[4]邱关源.电路[M].高等教育出版社，1999.
[5]邹 澎,吴景艳.机箱屏蔽设计和屏蔽效果测量[J].郑州大学学报（理学版），2005,（1）.
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